Drone gyroskop aksernes påvirkning

Hvad er et Drone Gyroskop

Bjoern Drone Guides, Drone Teknik Efterlad kommentar

9 min læsetid

Drone Gyroskop, det er en af de mange enheder vi finder i vores droner. Et gyropskop kender du måske som illustrationen neden for. Den bemærkelsesværdige enhed der bevæger sig og som kan snyde tyngdekraften. I dette indlæg kigger vi nærmere på hvordan et gyroskop er opbygget og hvordan det gavner vores droner.

Hvad består et gyroskop af

De grundlæggende enheder i et gyroskop er som op billedet nedenfor.

Hjertet af et gyroskop er den roterende disk som sidder i midten. Disken og asken sidder sammen så ingen af dem kan roterer uden den anden, husk dette, da vi i dette indlæg kun vil referere til diskens rotation. Uden om disken er der en tre aksede gimbal, som består af to ringe der kan dreje rundt om sig selv uafhængigt af hinanden. Til sidst er der rammen. Hvis den spinnede akse og disken rotere hurtigt nok vil de holde position uden påvirkning af hvad der sker med ringene. Det kan ses her hvordan ringene bevæger sig rundt om den spinnede akse og disken uden at disse to ændre position/retning.

Drone gyroskop, lodret klassisk gyroskop gif

Hvad er et gyroskop

Inden vi kommer til et så kaldt Drone Gyroskop, ikke at der er den store forskel, så lad os lige kigge nærmere på gyroskopet. Det klassiske gyroskop som vist ovenfor, viser at så længe at disken bevare sin rotation vil den bevare sin position. Ligesom en snurretop, så længe den drejer rundt, så vælter den ikke, og den vil pege op ad så længe der er rotation nok til stede. Forskellen på gyroskopet og snurretoppen er at du kan bestemme hvilken vej disken skal vende uden konsekvenser.

Disken kan altså godt stå lodret som illustrationen her, så længe der er nok rotation. Man kan med andre ord selv bestemme hvilken vej gyroskopet skal vende så længe disken rotere. Der hvor gyroskopet bliver brugt vil der sidde små motorer på den spinnede akse, der holder disken igang. Et gyroskop er altså en enhed hvor vi kan bestemme hvad udgangspunktet skal være uden tyngdekraftens indvirkning, så længe disken rotere. Vi kan altså bruge gyroskopets til at bestemme hvad der er op og ned i forhold til udgangspunktet/disken. Ud fra diskens position kan vi måle rotationen på hver akse som ringene repræsentere. Det er lidt indviklet og forstå men det bliver nemmere når vi sætter det ind i en maskine, men det kommer vi til. Først skal vi lige forsklare hvordan disken ikke bliver påvirket af tyngdekraften når den rotere.

Gyroskopet og tyngdekraftens

Illustrationen ovenfor viser at gyroskopet ikke lader sig påvirker af tyngdekraften. Det er faktisk en af de ting der gør gyroskopet meget unikt i forhold til andre måleenheder. Når det ikke bliver påvirket af tyngdekraften giver det os nemlig den mulighed at vi selv kan bestemme vores udgangspunkt. Dette er dog stadig kun muligt så længe der er rotation nok. Nu skal vi forklare hvorfor men se videoen først.

I videoen oven for ses det tydeligt at så længe cykelhjulet rotere, falder det ikke ned. Det blive altså ikke påvirket af tyngdekraften når det roteret men hvordan kan det lade sig gøre. Det er faktisk mere simpelt end hvad vi først antog. Den røde pil illustrere tyngdekraften og se hvad sker der med den når den rotere rundt.

Hvis stedet på cykelhjulet, hvor tyngdekraften trækker ned af (rød pil), bevæger sig hurtigt nok rundt og når ned i bunden, hurtigere end tyngdekraften trækker, så vil det modvirke sig selv. Det samme sker på den anden side af hjulet. Dette sker hele tiden når rotationen er høj nok, og derved holder hjulet sig selv oppe. Det er en kombination af centripetalkraften ikke og forveksle med centrifugalkraften, og corioliseffekten, som er jordens rotation. Dette gør, at den ikke bliver påvirket at tyngdekraften. Forstil dig at du har en tennisbolt i en snor og du drejer hurtigt nok rundt, så rør den heller ikke ved jorden. Det er groft sammenlignet, men det er faktisk det der sker med den disk der er i Gyroskopet. Den drejer hurtigt nok rundt til at ophæve sin egen tiltrækningskraft, det næsten som om den kaster tyngden kraften af.
Hvis du har brug for tal, dokumentation og tunge linninger så er kilden her.
Mechanical engineering Researh article

Hvad er et Drone Gyroskop

Nu ved du lidt om hvad et gyroskop er, hvad det kan og hvordan det virker. Hvordan bruges det så i vores små UAVér, det såkaldte “drone gyroskop”? Vi fandt ud hvis vi sætter disken i en ønskede position, og den rotere konstant, kan vi bruge ringene omkring til at måle rotationen på de 3 akser. Illustrationen neden for gør det nemmere og forstå, den gule cirkel, repræsentere gyroskopet.

Hvis du tænker på hver af de orange pile, som ringe i gyroskopet, og disken ligger vandret med x og y aksen. Så kan vi bruge ringene omkring gyroskopet til at fortælle os hvilken vej flyet hælder, eller drejer. Hvis flyet vipper til højre vil vi kunne måle det på X aksen. Hvis det stiger op kan vi måle det på Y aksen, og hvis det drejer på Z aksen. På den måde har vi orientering i vores flyvende enheder. Det der er vigtigst er som sagt at disken i gyroskopet ligger vandret med X og Y akserne. Hvis ikke det gør, så får vi forkerte målinger fordi så er gyroskopet ikke er kalibreret/tilpasset ordenligt til akserne i vores flyvende enhed. Gyroskopet fortæller vores droner om de står “vandret” i luften. Dermed bruger dronen gyroskopet til at holde sig stabilt i luften når vi ikke bevæger joystikket. Når vi sætter dronen til automatisk flyvning. f,eks waypoint, så bruger den signalerne fra et drone gyroskop til at forstå dens egen hældninger og på den måde holder den sig i “vatter”.

Professoren forklare

Hvis du stadig er lidt i tvivl så plejer en video og hjælpe. Denne professore ved navn Walter Lewin har et hav af rewards bag sig og er en meget anerkendt mand i fysiskens verden. Udover hans høje intelligens formår han også at lære fra sig på en rigtigt god måde. Der er massere undervisnings videoer af ham på youtube. Hvis du vil lære noget hjemme fra sofaen så er han et rigtigt godt bud. I denne video bruger han 49min på at forklare alt om rotation og hvordan gyroskopet virker. Vi har spolet frem til de 44min da det er her han forklare om brugen af gyroskopet i fly, men hele vidoen kan også anbefales .

Fra klassisk til moderne

Tænker du nu at der sidder et stort Gyroskop et sted i drone og drejer rundt ? Sådan er det ikke helt, gyroskoper i dag er i digitale og ekstrem små. De ligner en mikrochips eller lignende fra en printplade som på billedet neden for.

De er ikke helt mickrchips, de hedder nemlig MEMS som står for Micro Electro-Mechanical System. Det ligner en almindelig mikrochip, men faktisk er det en bladning af elektronik og mekanik. De fungere lidt på samme måde som gyroskopet, det er bare i mikro afdelingen. De er nemlig stadig mekaniske, men i stedet for ringe der bevæger sig omkring en roterende disk, sidder der sensore og måler. Disse sensore måler på en klods der bliver påvirket af rotationerne fra de forskellige akser. Ud fra klodsens bevægelse kan sensorerne så aflæse hvilke akser der rotere. Det lyder meget simpelt hold op i mod forklaringen om gyroskopet. Dog mener vi at den viden fra gyroskopet er uundværlig for forståelsen af funktionerne for et drone gyroskop.

Placering

Drone Gyroskopet er en del af IMU, Inertial Measurement Unit. IMU består oftets af de 2 enheder, accelerometer, gyrometer men kompasset/magnetometeret kan også være en del af IMU. IMU er både pga af accelerometeret og gryoskopet næsten altid placeret i tyngdepunktet på dronen.(center of gravity).

IMU er oftets del af flight controlleren i dronen. Flight controlleren er hovedenheden i vores droner. Den distribuere alle signaler rundt imellem enhederne. Læs om flight controlleren.

Kalibrering

Det er sjældent man kan kalibrer Gyroskopet alene, som regel kalibrere man hele IMUén. IMU er en meget følsom enhed og bør kun kalibreres hvis systemet beder om det. Hvis du er nødsaget til at kalibrer din IMU har vi lavet en guide i indlægget “Guide til kalibrering af IMU“. Hvis du er interesseret i at vide mere om de forskellige enheder i IMU kan du læse om det i “Hvad er en IMU“.

Gyroskop vs Accelerometer

Mange mennesker tror at et gyroskop og et accelerometer kan det samme, eller i hvert fald i tvivl om hvad forskellen er. Accelerometer kan ikke måle rotation omkring en akse, men måler acceleration og vibrationer. Forstil dig at du sidder på en cykel og din kammerat skubber dig igang. Når du træder i pedalerne, overføre du kraft til den aksel tandhjulet sidder på. Dette kan måles med et gyroskop, rotation omkring en akse. Et accelerometer vil derimod ikke kunne måle tandhjulets rotation eller den kraft du ligger i pedalerne, men det kan måle den kraft og acceleration din kammerat giver dig når han skubber dig. Accelerometeret kan måle den styrke vi accelerere med og i hvilken retning. Her kan du læse hele indlægget hvad er et drone accelerometer.

Hvor bruges Gyroskopet ellers

Gyroskopet bliver brugt til at få en forståelse af hvordan en enhed bevæger sig i forhold til gyroskopet og det bruges så til at navigere efter. Det kan være alle maskiner der bevæger sig som, selvkørende små maskiner, fly, skibe, ubåde, rumfartøjer osv. Det kan også bruges på anden vis. Hvis man f.eks er under jorden som i en mine, så er et kompas ikke meget værd når man graver op og ned. Derimod hvis gyroskopet/disken er indstille til at være plan med overfladen så kan det bruges til at navigere med i mørket. På den måde kan de altid holde den rette vinkel og grave i. Gyroskopet bliver også brugt i vores telefoner, det skifter lidt fra producent til producent. Nogen bruger dem når du drejer skærmen, andre bruger dem når du skal spille spil og balancere en bold igennem en labyrint.

Afsluttende

Drone Gyroskopet kan altså med andre ord give os en forståelse for vores eller dronen orientering i forhold til det udgangspunkt det er kalibreret til. Det er en genial enhed og den bliver som sagt bliver brugt alle steder. Det var en hel masse om gyroskopet og hvordan det virker. Vi håber at du fik en bedre forståelse for hvordan det kan bruges og hvad det gør for vores droner. Der kommer som sagt massere af indlæg om Drone Teknik, diverse enheder og komponenter. Hvis det interesserer dig så subscribe med din mail, der kommer kun gratis viden og intet andet.

Om skribenten

Bjoern

Bjørn er den primære certificeret pilot som du højst sandsynligvis vil møde når der skal løses en droneopgave. Udover dette så har han 100% styr på lovgivningen. Hvordan droner kan bruges inden for landbruget, og ikke mindst hvordan man sikre at få de lækre og professionelle luftfotos og dronevideoer i hus. Han skriver om alt under disse tre kategorier i bloggen.

Grafik: Freepik Pexels Wikipedia 

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.